Мониторинг и анализ особенностей океанской сейсмичности с помощью гидроакустических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.28, кандидат физико-математических наук Морозов, Виктор Евгеньевич

• Морозов, Виктор Евгеньевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Морозов, Виктор Евгеньевич

Введение

Глава 1. Обзор работ по изучению процесса подготовки землетрясений и гидроакустическим наблюдениям в океане за сейсмическими событиями.

1.1 Геофизические поля, которые изменяются при подготовке землетрясений.

1.2 Эволюция зоны дилатансии в процессе подготовки зем летрясен ия.

1.3 Результаты моделирования процессов разрушения в лабораторных условиях.

1.4 Сейсмоакустическая эмиссия в реальных средах.

1.5 Наблюдения за сейсмичностью океана.

1.6 Регистрация сейсмичности океана в рамках программ

SOSUS и JAMSTEC.

1.7 Распространение сейсмического сигнала к регистрирующей аппаратуре через многослойную среду и его затухание.

Глава 2. Исследование шума океана с помощью глубоководных донных автономных станций.

2.1 Особенности экспериментов с глубоководными донными автономными станциями и их характеристики.

2.2 Эксперименты с ГДАС и общие характеристики полученных данных.

2.3 Анализ данных с постановки ГДАС 27 31 Марта

2.4 Анализ данных с постановки ГДАС 38 13 Мая 1988 года

2.5 Анализ данных с постановки ГДАС 27 22 Марта

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мониторинг и анализ особенностей океанской сейсмичности с помощью гидроакустических систем»

Землетрясения являются природными катастрофами, от которых ежегодно погибает большое количество людей, но, в отличие от многих других стихийных бедствий, процесс подготовки у землетрясений скрыт в недрах планеты. При землетрясениях основной причиной гибели людей являются не сами землетрясения, а разрушающиеся дома, другие строения и повреждённые коммуникации, электро- и газопроводы. Таким образом, если сигнал о будущем землетрясении будет подан хотя бы за 10-20 минут до начала, то большого количества жертв можно избежать.

Вопрос прогноза будущих землетрясений всегда волновал не только учёных, но и обычных людей. За последние три десятилетия этой проблеме посвящено большое количество работ. Были разработаны методы долгосрочного и среднесрочного прогнозов, базирующихся, в основном, на изучении статистики землетрясений в сейсмически активных районах. Однако, такого рода прогнозы не дают точного времени землетрясения, хотя с достаточной точностью прогнозируют место будущего землетрясения и его магнитуду. Такого рода прогнозы нужны для построения карт сейсмического районирования и проведения подготовительных мероприятий. Реальный сигнал тревоги о будущем землетрясении должен быть не статистическим, а выдаваться в режиме реального времени для оперативного прогноза. Чисто статистическое предсказание не дало пока ощутимых результатов, поэтому в настоящее время ведутся измерения разнообразных геофизических параметров для выявления критической стадии подготовки землетрясения. Измерения высокочастотных сейсмических шумов во многих случаях показывают неплохую корреляцию с сильными землетрясениями. Термальные воды природных источников в некоторых случаях перед сильными сейсмическими событиями изменяют свой 4 режим и температуру. Кроме того, ведутся записи слабой сейсмичности. Характеристики слабой сейсмичности сильно зависят от состояния среды. Таким образом, анализ оперативных каталогов позволяет выявить зоны сейсмического затишья, которые многие исследователи связывают с зарождением сильного землетрясения или, наоборот, перед сильным землетрясением плавно возрастает количество слабых землетрясений. Ведутся наблюдения за множеством других геофизических полей для выявления наиболее информативных из них в целях оперативного прогноза землетрясений. Единственным удачным прогнозом времени и места землетрясения, когда удалось вывести людей из зданий перед основным толчком, было предсказание, сделанное в Китае 4 февраля 1975 года в городе Хайчэн в провинции Ляонин (Гир, Шах, 1988). Сильное землетрясение с магнитудой 7.3 действительно произошло, но больших жертв не было. Таким образом, без многодисциплинарного подхода невозможен сколь бы то ни было разумный алгоритм предсказания будущего землетрясения.

Во многих работах было отмечено, что большое число аномалий-предвестников противоречат друг другу, даже если наблюдения относятся к одной и той же тектонической области в той же самой точке наблюдения. Это не удивительно, т.к. после очередного сильного землетрясения может измениться не только режим грунтовых вод, но и многие другие параметры. Многие случаи «неправильного» поведения предвестников впоследствии обычно объясняют. В настоящее время для принятия решения о будущем событии применяется метод простого голосования на основе большого числа предвестников. Такие методики относятся к многопараметрическим моделям и многодисциплинарным методам исследования сложных систем. Для такого рода задач необходимо разделить физические типы возможных вариантов поведения этих систем. Сложность процесса сейсмичности, в целом, и процессов подготовки отдельных землетрясений, в частности, порождают принципиальные вопросы о физико-механической природе этих процессов, а также вопросы о корректном количественном их описании в условиях комплексного подхода.

Более трёх четвертей всех землетрясений в мире происходит в Тихоокеанском регионе, где находятся большинство зон субдукции на нашей планете. Большая часть эпицентров этих землетрясений находится под водой. Заселённость побережий Тихоокеанского региона наиболее высокая, и прогноз землетрясений в этом регионе весьма актуален. Особенно важно контролировать землетрясения любой силы вблизи важных и опасных техногенных объектов, таких как нефтепроводы и атомные электростанции. Системы регистрации слабой сейсмичности также актуальны при прокладывании кабелей по дну океана и строительстве различных объектов в шельфовой зоне. Следует принимать во внимание, что подводные землетрясения могут стать причиной цунами.

Проводившиеся с конца семидесятых (Соловьёв, 1997) наблюдения за сейсмичностью под водой показали, что донные сейсмометры способны регистрировать множество землетрясений, происходящих на дне океана. Наиболее важной особенностью донных сейсмометров является их возможность регистрировать слабые землетрясения. При этом береговая сеть сейсмических станций была не в состоянии зарегистрировать эти землетрясения по многим причинам. В случае замены трёхкомпонентного сейсмометра одним гидрофоном возникают проблемы с определением расстояния и направления на эпицентр. При постановке нескольких гидрофонов мы получаем возможность определения расстояния до эпицентра от каждого прибора и, таким образом, получения его координат. По причине близости гидрофонов к эпицентрам их чувствительность к слабым землетрясениям намного выше, чем у сети стационарных сейсмических станций, расположенных на континенте. Таким образом, регистрация слабых землетрясений с помощью сети гидрофонов является достаточно перспективной для получения детализированных каталогов и информации о процессе подготовки сильных землетрясений.

Данная работа посвящена обработке гидроакустических записей для выделения слабых сейсмических событий, многие из которых не регистрируются береговой сетью сейсмостанций и представляют интерес для получения информации о процессе подготовки землетрясения.

Заключение диссертации по теме «Океанология», Морозов, Виктор Евгеньевич

Выводы

По данным регистрации шумов океана зарегистрированы гидроакустические сигналы от 10 землетрясений в районе Курильских островов, Камчатки и Алеутских островов.

Зарегистрировано более 100 слабых землетрясений, находящихся ниже порога чувствительности береговой сети стационарных сейсмических станций, которые в данной работе называют микроземлетрясениями.

Установлено, что, как правило, гидроакустический сигнал землетрясений, находящихся на расстоянии более 400-500 км несёт частоты ниже 30-40 Гц. В случае близких землетрясений на расстояниях менее 500 км в сигнале могут присутствовать частоты выше 1000 Гц. В любом случае гидроакустический сигнал ограничен в частотном диапазоне сверху, а низкочастотный диапазон заполнен всегда.

Установлено, что гидроакустический сигнал от микроземлетрясений длится от 1 секунды до 140 секунд, в то время как гидроакустический сигнал от каталогизированных землетрясений, т.е. зарегистрированных береговой сетью стационарных сейсмических станций длится от 70 до 1500 секунд. Оценка энергии микроземлетрясений проводилась по длительности гидроакустического сигнала с использованием калибровочной кривой Соловьёва, Ковачёва (1996) и Брочера (Mb=2.30+lgT, Brocher 1983). Вышеперечисленные калибровочные кривые показали хорошую сходимость оценок энергии с береговой сетью.

Выделены и проанализированы сейсмические сигналы (микроземлетрясения), возникающие в процессе подготовки землетрясения. Определена глубина залегания очагов микроземлетрясений и показано, что они возникают в приповерхностной дилатантной зоне. Показано, что эволюция этих сигналов по мере приближения к моменту основного толчка совпадает с теоретическими представлениями о дилатантных зонах. Получено первое подтверждение существования и эволюции приповерхностной зоны дилатансии в процессе подготовки землетрясения.

Определены частотные характеристики акустических сигналов от сейсмических источников (землетрясений) с различными параметрами энергетический класс, глубина гипоцентра, расстояние до регистрирующей аппаратуры и географическое положение гипоцентра).

Получены количественные оценки частоты следования слабых землетрясений на материковом склоне Камчатки.

Создана методика и пакет программ для анализа гидроакустических сигналов в интервале 2 - 1400 Гц, генерируемых сейсмическими событиями в океане.

Определен порог регистрации гидроакустического сигнала от сейсмических событий, зависящий от класса землетрясения и расстояния от его эпицентра до приёмного устройства.

Проведён мониторинг сейсмического режима зоны Курило-Камчатского жёлоба гидрофонами, помещёнными на шельфе и континентальном склоне. Выявлено множество слабых землетрясений постоянно происходящих в этой зоне. Установлено что характер самих сигналов и характер их следования сильно зависит от региона. Характер следования микроземлетрясений может нарушаться после прохождения сейсмической волны, как и в случае с сейсмической эмиссией.

Показано, что в некоторых случаях процесс подготовки подводного землетрясения проявляется в виде появления приповерхностных разрывов в эпицентральной зоне будущего землетрясения. Приповерхностные разрывы сопровождаются микроземлетрясениями, гидроакустический сигнал от которых может регистрироваться гидрофонами, расположенными в океане. Таким образом, гидроакустические сигналы могут использоваться для определения эпицентральной зоны будущего землетрясения, а разработанный метод гидроакустического мониторинга сейсмического процесса может быть использован для систем предупреждения о локальных цунами и землетрясениях.

Полученные результаты можно использовать для дальнейшего анализа гидроакустических записей и выявления сигналов сейсмического происхождения. Результаты диссертации могут быть использованы при составлении более детальных каталогов землетрясений по данным гидроакустического мониторинга.

В связи с проведёнными исследованиями открывается ряд проблем для дальнейшего изучения, решение которых позволит продвинуться вперёд в понимании сейсмических процессов, происходящих в океане. Таким задачами являются более детальный анализ поля создаваемого сейсмическим источником в океане и земной коре и дополнение каталогов землетрясений по результатам гидроакустических наблюдений. Продолжением этой работы может быть исследование зависимости наличия приповерхностных разрывов перед землетрясением от его магнитуды и глубины очага. Построение скоростной зависимости различного типа волн от глубины в шельфовой зоне также может являться продолжением этой работы т.к. эта зависимость является ключевой для локации гипоцентра землетрясения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Морозов, Виктор Евгеньевич, 2005 год

1. Акустика морских осадков. Под ред. Л. Хэмптона. М.: Мир, 1977, 534 с.

2. Акустика океана. Под редакцией Л. М. Бреховских. М., "Наука", 1974, 696 с.

3. Александров С. И., Рыкунов Л. Н., Шумовой мониторинг Южной Исландии. Докл. РАН. 1992. Т.326. №5. с. 808-810

4. Александров С. И., Мирзоев К. М., Мониторинг эндогенного микросейсмического излучения в районе Ромашкинского нефтяного месторождения. Проблемы геотомографии. М.: Наука, 1997, с. 176-189.

5. Алексеев А. С., Белоносов А. С., Петренко В. Е., О концепции многодисциплинарного прогноза землетрясений с использованием интегрального предвестника. Вычислительная сейсмология. Вып. 32. 2001, с. 81-97.

6. Артельный В. В. Вировлянский А. Л. Стромков А. А., Результаты эксперимента по сверхдальнему распространению звука на стационарной акустической трассе Гавайи-Камчатка., в печати 2003.

7. Беляков А. С., Кузнецов В. В., Николаев А. В., Акустическая эмиссия в верхней части земной коры. Изв. АН, Физика Земли, 1991, №10, с. 79-84.

8. Беляков А. С., Николаев А. В., Методика сейсмоакустических наблюдений. Изв. РАН, Физика Земли. 1995, №8, с. 89-93.

9. Беляков А. С., Верещагина Г. М., Кузнецов В.В., Лунно-солнечные приливы и акустическая эмиссия во внутренних точках геофизической среды, Докл. АН СССР, 1990, т. 313 №1, с. 53-54.

10. Беляков А. С., Кузнецов В. В., Лавров В. С., Севальнев А. В., Результаты измерения сейсмоакустического фона во внутренних точках геологической среды. Докл. АН СССР, 1987, т.295, №3, с. 567-568.

11. Виноградов С. Д., Акустический метод в исследованиях по физике землетрясений. АН СССР, ИФЗ им. О. Ю. Шмидта, Москва, 1989, 177 с.

12. Гир Дж., Шах X., Зыбкая твердь. Что такое землетрясение и как к нему подготовиться. М. Мир 1988, 221 с. (Gere James М. Shah Haresh С. Terra Non Firma. Understanding and preparing for earthquakes. New York 1984).

13. Гордеев E. И., Рыкунов Л. Н., Спектры Р-волн от удалённых землетрясений в области частот 1-10Гц. Изв. АН СССР, Физика земли, 1976, №7, с. 90-92.

14. Грабарь А. Г., Захаров И. С., Тимошенко В. И., Шошков Е. Н., История гидроакустики. Ростов Н/Д: Ростиздат, 2002, 560 с.

15. Демьянович В. В. Как создавалась станция «Агам». Из истории отечественной гидроакустики. Под редакцией Карлика Я. С. Санкт-Петербург, 1998, с. 295-315.

16. Жадин В. В. О частотном составе записей продольных волн от удалённых землетрясений. Изв. АН СССР, Физика земли, 1971, №5, с. 99-101.

17. Журков С. Н., Кинетическая концепция прочности твёрдых тел. Вестник АН СССР, 1968, №3, с. 46-52.

18. Журков С. Н., Куксенко В. С., Петров В. А., К вопросу о прогнозировании разрушения горных пород. Изв. АН СССР, Физика Земли, 1977, №8, с. 11-18.

19. Иудин Д. И., Перколяционный механизм гравитационной дифференциации и сейсмическая активность. М.: ЯНУС-К, 2004, 26 с.

20. Кадыков И. Ф., Акустика подводных землетрясений. М.: Наука, 1986, 125 с.

21. Кадыков И. Ф., Подводный низкочастотный акустический шум океана. Москва: Эдиториал УРСС, 1999, 152 с.

22. Карлик Я. С., Гидроакустическая антенна мощный инструмент для прогноза цунамигенных землетрясений. Сборник конференции «Локальные цунами: предупреждение и уменьшение риска», Петропавловск-Камчатский, 2002, с. 72-74

23. Клей К., Медвин Г., Акустическая океанография. М., Мир, 1980, 580 с.

24. Копылова Г. Н., Сугробов В. М., Хаткевич Ю. М., Особенности изменения режима источников и гидрогеологических скважин Петропавловского полигона (Камчатка) под влиянием землетрясений. Вулканология и сейсмология, 1994, №2, с. 53-70.

25. Купцов А. В., Измерение характера акустической эмиссии, соответствующие ранней стадии развития сейсмических событий. Вестник ДВО РАН, Физика земли, в печати, 2004.

26. Курьянов Б. Ф., Об определении направленности случайного шумового поля корреляционным способом. Труды VI Всес. акуст. конф., доклад ВП4, М., 1968.

27. Лаппо С. С., Левин Б. В., Сасорова Е. В., Морозов В. Е., Диденкулов И. Н., Карлик Я. С., Гидроакустическая локация области зарождения океанического землетрясения. Доклады РАН, 2003, Т.388, № 6, с. 805-808.

28. Левин Б. В., Сасорова Е. В., Низкочастотные сейсмические сигналы как региональные признаки подготовки землетрясения. Вулканология и сейсмология, 1999, №4-5, с. 108-115.

29. Морозов В.Е., Сасорова Е.В., Высокочастотные сигналы (40 -110 Гц), предшествующие землетрясениям, по гидроакустическим данным на Тихоокеанском побережье Камчатки. Вулканология и Сейсмология, 2003, № 1, с. 64-74.

30. Морфизприбор. Центральный научно- исследовательский институт. Подводные технологии. Рекламный буклет. 64 с.

31. Николаевский В. Н., Обзор: Земная кора, дилатансия и землетрясения. Успехи науки и техники. М.: Мир, 1982. с. 133-215.

32. Пелиновский Е. Н., Гидродинамика волн цунами. ИПФ РАН, Нижний Новгород, 1996,276 с.

33. Рыкунов Jl. Н., Хаврошкин О. Б., Цыплаков В. В., Аппаратура и методы для исследования слабых сейсмических эффектов. М., 1978,. 31 с. Деп. ВИНИТИ 29.08.78, №2919-78.

34. Рыкунов Л. Н., Хаврошкин О. Б., Цыплаков В. В., Временные вариации высокочастотных сейсмических шумов. Известия Академии Наук СССР, Физика Земли, 1979, 11, с. 72-77.

35. Рыкунов Л. Н., Смирнов Б. В., Сейсмология микромасштаба. Вулканология и сейсмология, 1992, 3, с. 3-15.

36. Салтыков В. А., Особенности связи высокочастотного сейсмического шума и лунно-солнечных приливов. Доклады Академии наук, 1995, том 341. №3, с. 406-407.

37. Салтыков В. А., Синицын В. И., Чебров В. Н., Вариации приливной компоненты высокочастотного сейсмического шума в результате изменений напряженного состояния среды. Вулканология и сейсмология, 1997, №4, с. 73-84.

38. Смирнов В. В., Пономарев А. В., Завьялов А. Д., Особенности формирования и эволюции структуры акустического режима в образцах горных пород. Доклады РАН, 1995, т. 343, № 6, с. 818-823.

39. Смирнов В. Б., Пономарев А. В., Завьялов А. Д., Структура акустического режима в образцах горных пород и сейсмический процесс. Известия РАН, Физика Земли,1995, 1, с. 38-58.

40. Смирнов В. Б., Пономарев А. В., Сергеева С. М., О подобии и обратной связи в экспериментах по разрушению горных пород. Известия РАН, Физика Земли, 2001, 1, с. 89-96.

41. Соболев Г. А., Основы прогноза землетрясений. М., Наука, 1993, 314 с.

42. Соболев Г. А., Изучение образования и предвестников разрыва сдвигового типа в лабораторных условиях. «Поиск предвестников землетрясений». М.: Наука, 1978, с. 86-99.

43. Соловьев С. Л., Достижения и проблемы морской сейсмологии. М.: Наука, 1997, 334 с.

44. Соловьёв С. Л., Ковачёв С. А., Об определении локальной магнитуды местных землетрясений по наблюдениям донных сейсмографов. Изв. РАН, Физика Земли,1996, № 5, с. 26-30.

45. Соловьев С. Л., Ковачев С. А., Кузин И. П., Тассос С., Сейсмичность земной коры южной части Эгейского моря (по результатам донных сейсмологических наблюдений). Доклады АН СССР, 1989, т. 305, № б, с. 1085-1089.

46. Соловьев С. Л., Ферри М., Кузин И. П., Ковачев С. А., Сейсмичность земной коры юго-восточной части Тирренского моря (по результатам совместных донных и наземных сейсмологических наблюдений). Доклады АН СССР, 1989, т. 305, № 6, с. 1339-1343.

47. Хаткевич Ю. М., О возможности среднесрочного прогноза землетрясений интенсивностью свыше пяти баллов, проявляющихся в г. Петропавловске-Камчатском. Вулканология и сейсмология, 1994, № 1, с. 63-67.

48. Шерифф Р., Гелдарт Л., Сейсморазведка, Т.1, М., Мир, 1987, 448 с.

49. Brace W. F., Paulding В. W., Scholz С., Dilatancy in the fracture of crystalline rocks. J. Geophys. Res., 1966, Vol. 71, N16, p. 3939-3952.

50. Brevdo L., Resonant disturbances in a homogeneous elastic waveguide and earthquake prediction. EGS, 1998, Annales Geophysicae, Part 1, V.16, p. 128

51. Brevdo L., Three-dimensional logarithmic resonances in a homogeneous elastic waveguide. Eur. J. Mech., A 19, 2000, p. 121-137.

52. Brevdo L., Neutral stability and resonant destabilization of the Earth's crust. Proc. Roy. Soc. London, ser. A (March 2001) v. 457, p. 1-21

53. Miao Liangtian, Monitoring and prediction of the Datong earthquake. J. Earth. Predict. Res., 1993, №2, p. 299-310.

54. Michihiro K., Hata K., Fujiwara Т., Yoshioka H., and Tanimoto Т., Study on estimating initial stress and predicting failure on rock masses by acoustic emission. In: Rock mechanics and rock physics at great depth. Rotterdam, 1989, p. 1025-1032.

55. Morozov V.E.High-frequency hydro acoustic signals (40-110 Hz), preceding earthquakes, on the pacific shelf of the Kamchatka peninsula. Proceedings of Local tsunami warning and mitigation. 2002, p. 99-106.

56. Morozov V.E., High-frequency hydro acoustic signals (40 -110 Hz) preceding the earthquakes on the Pacific shelf of Kamchatka Peninsula. 3rd Biennial Workshop on

57. Subduction Processes Emphasizing the Kuril- Kamchatkan-Aleutian Arcs. Fairbanks, Alaska, June 2002.

58. Ouchi Т., Spectral structure of high frequency P- and S-phases observed by OBS's in the marine basin, J. Phys. Earth., V. 29., #4, p. 305-326.

59. Ponomarev A. V., ZavyalovA. D., Smirnov V. В., and Lockner D. A., Physical modeling of the formation and evolution of seismically active fault zones. Tectonophysics, 1997, 277, p. 57-81.

60. Pulli J.J., Upton Z.M., Hydroacoustic observations of Indian earthquake provide new data on T-waves. EOS transactions, American Geophysical Union, vol. 83, no. 13, 26 March 2002.

61. Sassorova E. V., and Levin B. W., The low frequency seismic signal foregoing a main shock as a sign of the last stage of earthquake preparation or preliminary rupture. Physics and Chemistry of the Earth, 2001, Part C, vol. 26, 10-12, p. 775-780.

62. Sassorova E. V., Levin B. W.( and Mostrioukov A. O., The low frequency seismic signal foregoing a main shock as a preparation sign of the large ocean earthquake. International Workshop "Tsunami Risk Assessment Beyond 2000". Moscow-2001, p. 136-142.

63. Sassorova E., Morozov V., Levin В., Didenkulov I., Karlik Ya. Hydro-acoustical signals from near-shore submarine earthquakes: perspectives for early tsunami warning. "Tsunami Mitigation Beyond 2000" Cartagena, Colombia, 2001, 32.

64. Thorpe W.H., Analytic description of the low-frequency attenuation coefficient. JASA, 1967, V. 42, No 1, p. 270-278.

65. Virovlyansky A. L., Artel'ny V. V., and Stromkov A. A., Acoustic data obtained by hydrophone array off Kamchatka. Proc. of the US-Russia Workshop on Experimental Underwater Acoustics. IAP RAS, Nizhny Novgorod, 2000, p. 33-46.

66. Wang Chunhua Liao Sugiong, Experimental study of the preparation and occurrence of strong earthquakes. J. Earth. Predict. Res., 1996, № 5, p. 525.